陈倩,王建芳,曹让,杨培志
正交试验法和响应面法优选蒲公英根甾醇提取
陈倩,王建芳,曹让,杨培志*
西北农林科技大学草业与草原学院, 陕西 杨凌 712100
优化超声波浸提蒲公英根甾醇的工艺条件。试验控制1.00 g样品用20 mL乙醇在超声波清洗机里进行浸提，设计正交试验和响应面试验研究甾醇提取率随着乙醇浓度、超声提取时间、超声提取温度三个因素水平变化而变化的规律。正交优化分析得出最佳提取工艺下，能提出甾醇含量为46.01 mg/g，此时乙醇浓度为80%，提取时间为20 min，提取温度为60 ℃。响应面分析结果为乙醇浓度87.42%、提取时间10.83 min、提取温度59.97 ℃，这时每克蒲公英根提取甾醇的含量最高为67.26 mg。该结果表明响应面法工艺条件下得到的蒲公英根甾醇提取率高于正交试验所得。
蒲公英; 甾醇; 化合物分离与提取
蒲公英（Hand.-Mazz）是一种多年生草本植物，该植株含有黄酮类、酚酸类、甾醇类和多糖类等有效物质，具有丰富的药理活性，整株皆可入药。其药理功效有抑菌消炎、调节血糖、抗衰老、增强免疫力、抑制肿瘤等，除此之外，蒲公英还富含蛋白质、脂肪酸、氨基酸、维生素及微量元素，是一种药食兼用的植物[1-4]。蒲公英甾醇具有抗高胆固醇和抗氧化[5]、抗炎[6,7]、抗菌[8]、调节免疫[9]、抑制癌细胞[10]等多种药理功效[10-14]。此外，甾醇在食品、保健品、化妆品等各个不同的邻域均有一定的应用,故本试验研究甾醇的提取工艺具有重要的实际意义[15]。近年来对植物甾醇的提取研究也越来越多，但对蒲公英植物甾醇提取的研究较为少见，在蒲公英甾醇的提取工艺上的优化研究更是少之又少，由于人们对蒲公英价值的逐步开发，蒲公英种植技术也逐渐成熟,优化蒲公英甾醇提取工艺的研究可以得到一种更高效的提取方法，从而有利于之后相关产品的研究开发及应用[16]。
1.1 材料和试剂
供试材料：蒲公英根采于西北农林科技大学草业与草原学院试验地（自2018年7月种植，种植两年半后于春季生长期内采摘得到），在65 ℃下烘干粉碎后过60目筛装袋以备后续使用。
试剂：甾醇标品（HPLC≥98%）购于索莱宝科技有限公司；
FeCl3‧6H2O、浓硫酸、磷酸、无水乙醇（均为AR）等试剂均从西北农林科技大学草业与草原学院实验室获取。
1.2 仪器与设备
分光光度计（V-1000），上海翱艺公司、超声波清洗机（SB25-12DT），宁波新芝生物科技公司、电子分析天平（PX224ZH/E），奥豪斯仪器（常州）公司。
1.3 试验方法
1.3.1 样品的制备精确称取样品1.00 g放于50 mL的具塞离心管中，加入一定浓度的乙醇溶剂20 mL，设置超声波清洗机的温度和时间一定，将取出的样品趁热过滤到50 mL容量瓶中，滤液和滤渣用相应浓度的乙醇溶剂清洗3-5次后定容摇匀得到待测液，试验设置3个重复进行测定。
1.3.2 待测液中甾醇含量测定精确称取甾醇标准样品3500 µg溶解于无水乙醇溶剂，再定容于25 mL容量瓶中，此时标准溶液的浓度为140 µg/mL，甾醇含量采用硫磷铁显色剂法测定[17]。由此可得：=0.0044-0.0222，2=0.9929。此时1.00 g蒲公英根样品中甾醇含量（mg）按下式计算：
表示样品总甾醇含量（mg/g），表示由标准曲线所得试样浓度（µg/mL），表示试样体积（mL），表示稀释倍数，表示试样重量（g）
1.3.3 正交试验设计根据试验开始前期所得到的单因素试验结果，选取提取时间、提取温度和乙醇浓度3个主要影响因素，采用正交试验的方法，设置3因素3水平正交表L9(34)进行试验，其中料液比为1：20 g/mL，提取次数为1次，各因素和水平条件如下[18]。
表 1 L9（34）正交试验因素水平
1.3.4 响应面试验设计将各个因素水平按照如下表格里的因素水平用Design-expert12软件进行Box-Behnken模型试验，按响应面法共设计了17组试验，对乙醇浓度、超声提取时间和提取温度3个因素进行改进，以蒲公英根甾醇提取率为响应面，确定最优提取条件[19]。
表 2 响应面因素水平
1.3.5 数据分析处理采用Excel对数据进行记录分析，通过SPSSAU设计正交试验并得出处理结果,用Design-expert12软件进行响应面设计及分析。
2.1 正交试验结果分析
由下表3蒲公英根甾醇正交试验方差分析结果可得，本试验选取的三个因素都对蒲公英根甾醇提取产生极大影响，将影响的主次分别排序如下：乙醇浓度(%)>提取温度(℃)>提取时间(min)，即A>C>B（按甾醇提取率比较）。正交方差分析得出甾醇提取的正交试验最佳方案为A2B2C3，即乙醇浓度80%，温度60 ℃，时间20 min。在该条件下，每克蒲公英根中可以提出46.01 mg的甾醇。利用三因素方差分析方法研究水平A、B、C对甾醇提取的影响，由下表4可知，因素A、Ｂ、Ｃ对蒲公英根甾醇的提取均可产生极显著性影响。
表 3 正交试验结果
表 4 正交方差分析结果
2.2 响应面法试验结果分析
以蒲公英根甾醇提取率作为试验分析的响应值，用Design-expert12软件模拟甾醇提取模型，得到回归方程：=57.75+1.28-0.5212+10.85+0.9875+5.90-3.34-6.102-1.142-5.522（2=0.8545）。对蒲公英根甾醇提取做响应面方差分析如下，该次模拟出的模型中=4.57（0.010.05），此结果表明响应面分析得到的二次回归方程具有显著性。该模型中失拟项=1.85，=0.2788>0.05，证明失拟项不显著，2=0.8545>0.80,表明响应值85.45%的变化都能够被该模型预测出来，变异系数（CV）=11.51（%），表明用响应面法分析蒲公英根中甾醇提取率并建立模型与预测具有可行性，模拟出的二次回归方程中所有的二次项系数值均为小于零，说明该模型存在顶点（最大值），顶点表示最大的甾醇提取值，由下图1也可以相应得出响应值存在稳定的顶点。
表 5 响应面方差分析结果
由下图1可以得出：通过Design-Expert12软件预测出的甾醇的最优提取工艺为乙醇浓度为87.42%，提取时间10.83 min，提取温度59.97 ℃，此时每克蒲公英根中可提取出67.26 mg的甾醇。
图 1 不同因素下的三维曲面
正交试验和响应面分析法是基于建立两种不同的模型来对试验水平进行分析的方法，正交试验能得出不同因素不同水平之间的最佳组合，但其只能分析离散型的数据,范围相对来说较小，且分析出的数据精度较低, 预测出的结果相对较差[20-24]。响应面法以数学模型构建二次回归方程，该回归方程精确度高，能够合理预测出最佳的有效结果。与正交试验相比，响应面分析法不仅能够分析试验设置的水平内的最佳组合，还能找出除试验设置水平以外的其它最佳组合，综合比较之下得出响应面法优化出的甾醇最优提取工艺较正交试验得出的结果更优[25-28]。本试验可以得出蒲公英甾醇的最优提取方案，但未涉及甾醇的纯化及应用方面。试验采用超声波法对蒲公英根甾醇进行提取，与传统的醇提、回流相比，可以缩短甾醇的提取时间，除此之外，超声法提取甾醇操作简便可行、在试验中提取料液杂质成分较低、提取出的有效物质比较容易分离和纯化,且该方法提取工艺简便，可以大量普及使用[29]。超声波提取法由于其具有的提取高效、快速、节能的优点，在行业内的发展前景非常广阔。
综上所述，用浓度80%的乙醇在60 ℃的超声波清洗机中提取20 min，可得到正交试验最佳结果，此时蒲公英根甾醇提取率为4.60%，即每克蒲公英根样品中最高可提得甾醇含量为46.01 mg/g。响应面法分析蒲公英根甾醇提取数据可得：当乙醇浓度为87.42%，提取时间10.83 min，提取温度59.97 ℃时，蒲公英根甾醇模拟得到的提取率高于正交试验模拟出的结果，此时的得到的最佳结果为6.73%，此时最高能提到甾醇含量为67.26 mg/g，即响应面分析得到的甾醇提取率比正交试验得到的高2.13%。对模拟出来的结果进行验证后发现得到的甾醇提取率为6.33%，与模型结果相似，差异不显著，0.05。在具体实践时应根据实际需要选择相应的方法。
[1] 许先猛,董文宾,卢军,等.蒲公英的化学成分和功能特性的研究进展[J].食品安全质量检测学报,2018,9(7):1623-1627
[2] González-Castejón M, Visioli F, Rodriguez-Casado A. Diverse biological activities of dandelion [J]. Nutrition reviews, 2012,70(9):534-547
[3] Singh J, Metrani R, Gomez M,. Phytochemical composition and functional properties of dandelion (spp.)[C]//XXX International Horticultural Congress IHC2018: International Symposium on Medicinal and Aromatic Plants, Culinary Herbs and 1287, 2018:185-194
[4] Xie J, Huang Y, Wang Q. Research progress of anti-tumor active ingredients in dandelion [J]. Journal of Oncology Research, 2020,2(2):24-30
[5] 董长颖,吴俊波.蒲公英甾醇的提取及其抗炎活性研究[J].黑龙江畜牧兽医,2011(3):133-134
[6] Othman RA, Moghadasian MH. Beyond cholesterol-lowering effects of plant sterols: clinical and experimental evidence of anti-inflammatory properties [J]. Nutrition reviews, 2011,69(7):371-382
[7] Lee JH, Lee JY, Park JH,. Immunoregulatory activity by daucosterol, a β-sitosterol glycoside, induces protective Th1 immune response against disseminated Candidiasis in mice [J]. Vaccine, 2007,25(19):3834-3840
[8] Dikshit P, Tyagi MK, Shukla K,. Antihypercholesterolemic and antioxidant effect of sterol rich methanol extract of stem of(banana) in cholesterol fed wistar rats [J]. Journal of Food Science and Technology, 2016,53(3):1690-1697
[9] Jagadeesh R, Babu G, Lakshmanan H,. Bioactive sterol derivatives isolated from ther var.induced apoptosis in cancer cell lines [J]. Cardiovascular & Hematological Agents in Medicinal Chemistry (Formerly Current Medicinal Chemistry-Cardiovascular & Hematological Agents), 2020,18(2):124-134
[10] Lv Q, Wang J, Ruan Z. Mechanism of dandelion sterol in treating pulmonary fibrosis through transforming growth factor-β signaling pathway [J]. Journal of Biomaterials and Tissue Engineering, 2021,11(4):612-618
[11] Moreau RA. Plant sterols in functional foods[M]//Phytosterols as functional food components and nutraceuticals. CRC Press, 2003:284-286
[12] Liu Q, Zhao H, Gao Y,. Effects of dandelion extract on the proliferation of rat skeletal muscle cells and the inhibition of a lipopolysaccharide-induced inflammatory reaction [J]. Chinese Medical Journal, 2018,131(14):1724-1731
[13] Rocha VZ, Ras R T, Gagliardi A C, et al. Effects of phytosterols on markers of inflammation: A systematic review and meta-analysis [J]. Atherosclerosis, 2016,248:76-83
[14] Cedó L, Farràs M, Lee-Rueckert M. Molecular insights into the mechanisms underlying the cholesterol-lowering effects of phytosterols [J]. Current Medicinal Chemistry, 2019,26(37):6704-6723
[15] 张辉,曹程明,吕庆,等.应用气相色谱测定化妆品中 β-谷甾醇,豆甾醇与菜9油甾醇的方法研究[J].香料香精化妆 品, 2013(6):28-32
[16] 王振学,高秋美,孟庆峰,等.蒲公英高产种植技术[J].中国农技推广,2019,35(4):57-58
[17] 刘蕾,陈星,李晓丽,等.分光光度法测定大豆总甾醇含量的研究[J].中国油脂,2005(4):45-47
[18] 章烨雯,吕其壮,陈荣,等.正交试验优选四时青总黄酮提取工艺[J].中国饲料,2021(21):32-35
[19] 王文婷,冯凡,韩方凯,等.响应面法优化秋葵总黄酮的提取工艺[J].唐山师范学院学报,2021,43(3):55-59,104
[20] 熊蔚蔚,徐铭键,刘健,等.毛樱桃总黄酮超声提取工艺优选[J].中国实验方剂学杂志,2012,18(15):29-31
[21] Fu T, Zhou W, Liao L,. Optimization of ultrasonic extraction technology of nymphaea hybrid sterols by response surface method [J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 41(12):2541-2547
[22] 曾夏雨,何佳慧,许泽文,等.超声波辅助提取玉竹植物甾醇工艺的优化[J].湖北农业科学,2016,55(20):5345-5348
[23] 邓祥宜,刘孟雪,盛煜纯,等.正交实验及响应面法在银杏愈伤组织黄酮提取条件优化中的比较[J].应用化 工,2015,44(11):2148-2151
[24] Liu X, Li Z. Comparison of flavonoids from spina gleditsiae by response surface method and orthogonal design[C]//E3S Web of Conferences. EDP Sciences, 2019,78:02015
[25] 童心,王勇,高锐,等.正交实验联用响应面法优化脱皮马勃总生物碱提取的研究[J].药物生物技术,2013,20(3):245-249
[26] 朱月滢,郑芝琳,周永萍,等.响应面法和正交实验法优化独一味总皂苷提取工艺[J].轻工科技,2022,38(2):13-16
[27] 刘寒,金司阳,郭慧,等.正交设计与Box-Behnken设计比较研究优化岩高兰多糖提取工艺[J].中医药导报,2017,23(21):71-74
[28] Singh G, Kumar P, Jindal A. Antibacterial potential of sterols of some medicinal plants [J]. Int J Pharm Pharm Sci, 2012,4(3):159-3162
[29] 廖维良,赵美顺,杨红.超声波辅助提取技术研究进展[J].广东药学院学报,2012,28(3):347-350
Sterol Extracting fromRoot by the Optimal Orthogonal Test and Response Surface Methodology
CHEN Qian, WANG Jian-fang, CAO Rang, YANG Pei-zhi*
712100,
Optimization of process conditions for ultrasonic extraction ofroot sterols. Experimentally controlled 1.00 g samples were extracted with 20 mL of ethanol in an ultrasonic cleaner. Orthogonal and response surface tests were designed to investigate the pattern of sterol extraction rate with the changes in the levels of three factors: ethanol concentration, ultrasonic extraction time, and ultrasonic extraction temperature. The orthogonal optimization analysis concluded that under the best extraction process, the sterol content was 46.01 mg/g, and the ethanol concentration was 80%, the extraction time was 20 min, and the extraction temperature was 60 ℃. The results of the response surface analysis were 87.42% ethanol concentration, 10.83 min extraction time and 59.97 ℃ extraction temperature, and the highest sterol content of 67.26 mg per gram ofroot extracted. This result suggested that the sterol extraction rate ofroot obtained under the process conditions of response surface method was higher than that obtained from the orthogonal test.
Hand.-Mazz; Sterol; Compound isolation and extraction
S326
A
1000-2324(2022)06-0913-05
2022-07-10
2022-09-15
陈倩(1998-),女,硕士在读,草种质与逆境生物学研究方向. E-mail:2938293578@qq.com
Author for correspondence. E-mail:yangpeizhi@126.com
10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.016
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